中速磨煤机入口一次风混流及均流技术研究

王周君，黎星华，唐立军，段泉圣

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217； 2.华北电力大学 控制与计算机工程学院，北京 102206)

0 引言

燃煤电厂磨煤机入口一次风道内冷、热风掺混不均会导致风速和风温(风速直接决定风量测量装置动压信号的大小，风温则会影响风量值的修正精度)分布不均，从而造成磨煤机入口一次风量测量不准及动态特性差，严重影响锅炉制粉系统、燃烧系统的经济性和稳定性[1-5]；同时，燃煤电厂锅炉中速磨煤机直吹式制粉系统一次风量的精确测量是锅炉精细化控制的前提[6]。

受布置空间所限，国内绝大多数燃煤电厂制粉系统的磨煤机入口一次风道布置紧凑，且管道内存在各种阻流件(如冷、热一次风调节阀，弯头，渐缩管等)，使得混合管段内流体流速和温度分布不均匀，气流易发生扭转，在风量测量截面产生二次流，加大了磨煤机入口一次风量准确测量的难度。目前，国内外学者对磨煤机入口风量测量的研究大多集中在测量元件的改进和优化方面，如采用等截面多点式自清灰风量测量装置[7]及防堵阵列式风量测量装置[8]等，而对紧凑布置的磨煤机入口矩形一次风道内冷、热风混流和均流技术的研究还很少。

为此，针对国内某大型燃煤电厂600 MW机组锅炉中速磨煤机入口一次风量、风温测量不准确，锅炉负荷、风量、风温和燃烧量控制无法自动投入等问题，采用计算流体动力学(CFD)数值模拟方法设计了3套冷、热一次风混流及均流装置，并对其均流效果进行比较，找出一套适用于磨煤机入口矩形风道的冷、热一次风混流及均流装置。

1 一次风道数值模拟

1.1 一次风道模型

本文以国内某600 MW机组锅炉中速磨煤机入口前冷、热风母管后的一次风道为研究对象，采用数值模拟方法研究磨煤机入口冷、热一次风道及混合管段内流体流速和温度的分布特性，物理模型如图1所示。数值计算的物理模型采用实际风管结构尺寸，混合竖直管段内风量测量装置处的截面尺寸为1 200 mm×1 400 mm，冷一次风道管径为600 mm，垂直接入热一次风道内。受场地布置空间的限制，冷一次风接入位置距离上弯头进口4 000 mm，安装风量测量装置的前后直管段长度只有2 500 mm，完全不能满足风量测量装置对直管段长度的要求[9-11]，而且冷一次风进入热一次风道后，未能与热一次风充分混合就迅速流至风量测量装置和风温测量装置处，使得混合管段内流体流速和温度分布极不均匀，加上冷、热一次风调节阀的扰动，使得流体流速和温度分布不均匀性显著增大。

根据等截面网格法多点测量原理[12]，在上弯头上游截面和风量测量截面上布置25个测点，温度测量截面上布置20个测点，通过数值模拟计算出每个测点的流速和温度。

图1 一次风道物理模型Fig.1 Primary air duct physical model

1.2 网格划分与边界条件

选定制粉系统实际运行的一种工况作为模拟工况，模拟工况参数见表1。

表1 模拟工况参数Tab.1 Simulation conditions parameters

采用ICEM CFD软件对物理模型进行网格划分。采用三维混合网格划分技术对管道相对规则的区域进行结构网格划分，对复杂区域则采用非结构网格划分并进行局部加密处理，网格总数为130万左右。

采用FLUENT软件进行数值模拟计算，流体材料为空气，湍流模型采用重整化群(RNG)k-ε模型[13]，近壁处采用标准壁面函数法处理。压力-速度离散采用SIMPLE算法，各流项选取二阶离散迎风格式，壁面处采用无滑移边界条件，壁面粗糙度为0.5。冷、热一次风入口采用流量入口条件，出口采用自由流出条件，在y轴方向设置重力加速度-9.81 m/s2，方向与竖直管段流体流向相同。

1.3 模拟结果分析

磨煤机入口一次风道内流场和温度场的数值模拟结果如图2所示。从图2可以看出：冷一次风依靠自身动量难以完全穿透热一次风，在冷、热一次风交汇后的混合管段内出现明显的冷、热分离，导致混合管段内的速度和温度分布极为不均匀，风量测量截面的流场和温度场均匀性偏差，难以保证风量测量的准确性。

磨煤机入口一次风道内流线图如图3所示。由图3可以看出，由于冷、热一次风调节阀的存在，气流通过调节阀后出现明显的扭转，气流通过上弯头后，在混合竖直管段内出现明显偏向，无法正对着风量测量元件，从而造成风量测量偏差较大、波动剧烈等问题。因此，拟增加冷、热一次风混流及均流装置，以优化混合管段内的流场和温度场，为风量测量元件和温度测量元件获取一个较为稳定且分布均匀的流场和温度场，实现磨煤机入口一次风量的精确测量。

2 优化方案设计

结合以往改造经验，同时通过数值模拟方法分析了一次风道内的流场和温度场的分布情况，优化方案的设计思路为：(1)在冷风道接入点两侧增加冷一次风箱，冷一次风箱为喇叭形扩口结构[14]，同时在冷、热风交汇处加装冷、热风混合整流器，将冷一次风分成3股，然后通过分隔片将3股风分成若干个等面积的通风区域，冷一次风通过每个通风区域开设的出风口射入热一次风道内，实现冷、热风均匀混合；(2)在混合管段的上弯头加装多块同心变径弧形导流板，由内向外密疏布置，可以缓解气流在弯头处因惯性而出现偏向；(3)在混合竖直管段内的风量测量装置上游加装矩形栅格整流器，消除漩涡并调整气流的偏向，使得气流的来流方向正对风量测量元件。磨煤机入口一次风道优化改造方案如图4所示。

图2 优化前一次风道内流场和温度场数值模拟结果Fig.2 Numerical simulation results of flow field and temperature field before the optimization of primary air duct

图5 优化设计的3种冷、热一次风混流装置Fig.5 Optimized design of 3 kinds of hot and cold primary air mixing device

图3 磨煤机入口一次风道内流线图Fig.3 Flow diagram of the primary air duct at the inlet of the coal mill

图4 磨煤机入口一次风道优化改造方案Fig.4 Optimization of primary air duct at the inlet of the coal mill

为实现磨煤机入口风量的精确测量，在混合管段内获得较为均匀的流场和温度场，本文对冷、热一次风混流装置设计了3种优化模型，如图5所示。

通过数值模拟计算详细对比3种模型的均流效果，以获得一套适用于磨煤机入口矩形一次风道内流场和温度场的优化装置。图5a设计的混合整流器Ⅰ出风口的长度方向与主流流动方向一致；图5b设计的混合整流器Ⅱ出风口的长度方向与主流流动方向垂直；图5c设计的混合整流器Ⅲ出风口为百叶窗喷嘴结构，射出的冷一次风与主流方向夹角为锐角，减小热一次风流动的阻力损失。

优化前、后一次风道内不同位置的截面速度和温度分布均匀性见表2，其中方案1～3分别采用混合整流器Ⅰ～Ⅲ。由表2可以看出：优化后的一次风道内各截面速度和温度相对标准偏差均有所减小，测点的流速范围和温度范围进一步缩小；上弯头上游截面的速度相对标准偏差由优化前的26.73%减小至16.61%～20.48%，温度相对标准偏差由优化前的6.94%减小至1.90%～2.32%，说明设计的混合整流器能够实现冷、热风的均匀混合；风量测量截面的速度相对偏差由优化前的16.46%减小至6.00%以下，温度相对标准偏差由优化前的2.85%减小至2.00%以下，测点的流速范围和温度范围大幅度缩小，风量测量截面流场和温度场的均匀性得到明显的提高，完全能够满足风量测量元件对流场和温度场均匀性的要求；温度测量截面的温度相对标准偏差比优化前有小幅度减小。与优化前相比：方案1～3的截面平均速度相对标准偏差分别减小了9.13%，9.36%，10.65%；截面平均温度相对标准偏差分别减小了2.06%，2.19%和2.45%；一次风总压损分别增加了177，277，198 Pa。通过对比，方案3的均流效果最优。

方案3的磨煤机入口一次风道流场和温度场数值模拟结果如图6所示。可以看出，混合整流器实现了冷、热一次风的均匀混合，混合风道内的流场和温度场的均匀性得到有效提高。由图7所示方案3的一次风道内流线图可以看出，经混合整流器、导流板和矩形栅格均流后，混合管段内气流的扭转现象得到有效改善，风量测量截面来流方向正对风量测量元件，大大提高了风量测量的准确性。

表2 优化前、后一次风道内不同位置的截面速度和温度分布均匀性Tab.2 Speed and temperature distribution at different cross-sections in the primary air duct before and after optimization

图6 方案3的一次风道内流场和温度场数值模拟结果Fig.6 Numerical simulation results of flow field and temperature field in primary air duct of scheme 3

图7 方案3的磨煤机入口一次风道内流线图Fig.7 Flow diagram of the primary air duct at the inlet of the coal mill of scheme 3

3 结论

(1)中速磨煤机入口矩形一次风道内气流易发生扭转，导致风量测量截面来流方向难以正对风量测量元件，增大了风量测量的难度。冷、热一次风混合不均导致风量测量截面和温度测量截面的流速和温度分布不均匀，不能满足风量测量装置对流场和温度场均匀性的要求，从而导致风量测量不准确。

(2)通过数值模拟设计了3套冷、热一次风混流及均流装置，都能够保证磨煤机入口冷、热一次风完全充分混合，还能调整气流的偏向，使得气流的来流方向正对风量测量元件；风量测量截面的速度相对偏差降至6.00%以下，温度相对标准偏差降至2.00%以下，完全能够满足测量元件对流场均匀性和温度场均匀性的要求；与优化前相比，一次风总压损的增加保持在300 Pa以内。通过比较3种方案的均流效果，方案3的截面平均速度和平均温度相对标准偏差最小，其均流效果最优。